常增亮,馬超,麻德明,劉楊,高興國

(1.山東電力工程咨詢院有限公司 濟南 250013;2.自然資源部第一海洋研究所 青島 266061)

0 引言

隨著世界能源的緊缺和人們對低碳環(huán)保需求的不斷提高,風(fēng)能作為清潔可再生能源愈發(fā)受到青睞,風(fēng)電技術(shù)逐漸由陸上延伸到海上,根據(jù)全球海上風(fēng)電現(xiàn)狀統(tǒng)計數(shù)據(jù),風(fēng)能發(fā)電僅次于水力發(fā)電占到全球可再生資源發(fā)電量的16%[1],已經(jīng)成為當(dāng)今不可或缺的極其重要的新能源之一[2]。同陸上風(fēng)電場相比,海上風(fēng)電憑借海上風(fēng)資源的穩(wěn)定性和發(fā)電功率大的特點,近年來正在世界各地飛速發(fā)展,包括英國、德國、丹麥等國家都紛紛加快了對海上風(fēng)電的開發(fā)速度,已成為不少歐洲國家爭相發(fā)展的方向,可以說歐洲的海上風(fēng)電在全球一枝獨秀[3]。此外,韓國和日本在發(fā)展海上風(fēng)電方面也都不甘居人后。

中國海上風(fēng)電雖然起步較晚,但發(fā)展異常迅猛,東部沿海地區(qū)開發(fā)規(guī)模從北到南不斷擴大,單機容量越來越大,裝機規(guī)?？焖僭鲩L,場址逐漸從潮間帶開始向近海深水區(qū)域發(fā)展,截至2017年年底裝機規(guī)模已躍居全球第三。在國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”的支持下,國際間的海上風(fēng)電工程建設(shè)合作也將迎來蓬勃發(fā)展的新局面。隨著海上發(fā)電這一清潔新能源技術(shù)的不斷推進,沿海風(fēng)電遍地開花,風(fēng)機數(shù)量也不斷增加,在風(fēng)電場的建設(shè)和運維過程中,長期受海洋復(fù)雜環(huán)境的影響,風(fēng)機傾斜、斷裂、樁基不均勻沉降及腐蝕等事故時有發(fā)生,將嚴重影響和威脅海上風(fēng)電的安全性和耐久性。一旦發(fā)生事故,將造成巨大的損失,海上風(fēng)電工程的安全穩(wěn)定運行越發(fā)引起人們的重視,如何通過技術(shù)手段定期對風(fēng)機傾斜、樁基沉降、裂縫等形變狀況的監(jiān)測與定量評估,實現(xiàn)早期故障的預(yù)警,是海上風(fēng)電安全檢測的重點和難點。因此,有必要建立海上風(fēng)電水上和水下一體化安全監(jiān)測技術(shù)體系,及時、準(zhǔn)確掌握海上風(fēng)電工程形變信息,可為海上風(fēng)電場的管理和保護措施制定提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。

1 監(jiān)測現(xiàn)狀及難點

海洋平臺作為海洋開發(fā)過程中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施,具有較高的投資成本和維護成本,其結(jié)構(gòu)長期經(jīng)受海生物的附著、地基沖刷以及環(huán)境載荷等的相互作用,使得結(jié)構(gòu)承載能力不斷下降。海洋工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測問題已經(jīng)成為避免環(huán)境災(zāi)害以及經(jīng)濟損失、確保安全健康服役所必需面臨的問題,因此,定期健康監(jiān)測和診斷就成為保證正常生產(chǎn)和安全操作的最有效的手段。海洋工程安全監(jiān)測,即通過在海洋平臺上安裝各種類型傳感器,獲得各種關(guān)鍵信息,并從中提取特征數(shù)據(jù),最終對其工作狀態(tài)和損傷情況進行判斷。安全監(jiān)測是一個多學(xué)科交叉的領(lǐng)域,日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,并已成為國內(nèi)外研究的熱點和難點。海洋工程安全監(jiān)測的研究開始于20世紀70年代,目前相關(guān)的研究報道,大多基于海洋鉆探平臺和傳感器技術(shù),研究領(lǐng)域主要涉及海洋環(huán)境載荷監(jiān)測、腐蝕及裂紋的監(jiān)測以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形監(jiān)測等[4],采用的監(jiān)測方法也因監(jiān)測內(nèi)容而各異,總體上可以分為局部損傷檢測法和基于振動的整體損傷探測法[5]。隨著海洋工程結(jié)構(gòu)日益大型化、復(fù)雜化和智能化以及各種傳感器技術(shù)的不斷進步,監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測手段也越來越豐富,不再是單純的載荷監(jiān)測,而是向著結(jié)構(gòu)損傷檢測、損傷定位和結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)測等方向發(fā)展[6]。

雖然,隨著當(dāng)前監(jiān)測技術(shù)的進步,取得了一定的研究進展,但仍然存在一些亟待解決的問題。由于海上風(fēng)電場一般遠離大陸,缺乏統(tǒng)一的測繪基準(zhǔn),亟須解決高程傳遞問題,所以對于固定式海洋平臺的沉降監(jiān)測一直是一個難點,而海上風(fēng)電場運行監(jiān)控和狀態(tài)評價主要參考陸上風(fēng)機,只進行風(fēng)機的運行狀態(tài)監(jiān)測,僅在試驗風(fēng)機的基礎(chǔ)和塔筒的少量部位進行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測,遠未實現(xiàn)針對海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)監(jiān)測,不能滿足對海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)體系進行狀態(tài)評價的要求。對海洋電力工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測,特別是基于GNSS監(jiān)測(水上部分)、精密水下定位監(jiān)測和三維掃描聲吶測量監(jiān)測結(jié)合的變形監(jiān)測方法、海底結(jié)構(gòu)沖刷監(jiān)測領(lǐng)域,鮮有研究和報道。有關(guān)海上構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全檢測的研究目前尚處于基礎(chǔ)性的探索階段,距離實用性目標(biāo)尚有很大的差距。因此,亟須開展海洋電力工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系框架研究。

2 總體框架

海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測,總體目標(biāo)是針對海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需求和技術(shù)瓶頸,綜合利用GNSS、精密水下定位、水下機器人以及三維掃描聲吶技術(shù)手段,通過對關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),重點解決精密水下定位中海底信標(biāo)的精確安裝和淺海聲速精密改正、水下相機標(biāo)校、多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合等技術(shù)難題,建立一整套從水上到水下的安全監(jiān)測技術(shù)體系,按照既定技術(shù)流程獲取反映海上風(fēng)電平臺環(huán)境激勵和結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)的特征信息,監(jiān)測海上風(fēng)電工程的工作性能和評價海洋平臺的工作條件,從而為海上風(fēng)電工程安全運維提供科學(xué)依據(jù)。主要技術(shù)流程包括6個部分,即資料收集與整理、統(tǒng)一海洋測繪基準(zhǔn)、監(jiān)測實施與方法優(yōu)化改進、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析、監(jiān)測結(jié)果對比分析與評價、安全運維預(yù)警與防護措施(圖1)。

圖1 監(jiān)測體系框架

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 精密單點定位(PPP)技術(shù)

海上風(fēng)電工程通常遠離大陸,常規(guī)的定位方法無法獲取高精度位置信息,而PPP技術(shù)作為一項GNSS定位新技術(shù),在低軌衛(wèi)星精密定軌、高精度坐標(biāo)框架維持和海洋測繪等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用[7],同樣適用于海上風(fēng)電工程安全監(jiān)測。其技術(shù)重點解決包含多種參數(shù)的數(shù)學(xué)模型選擇與解算、高精度誤差改正模型構(gòu)建、整周模糊度解算和觀測數(shù)據(jù)的周跳探測與修復(fù),以獲取高精度坐標(biāo)信息。

3.2 高程傳遞

采用高精度GNSS定位技術(shù),結(jié)合我國現(xiàn)有陸地、海洋重力資料及其他重力場信息和數(shù)據(jù)成果,并運用國內(nèi)外確定大地水準(zhǔn)面的嚴密理論和算法來確定高精度的局部大地水準(zhǔn)面[8],將我國高程基準(zhǔn)從沿海海上風(fēng)電場控制中心傳遞到海上風(fēng)電場機組區(qū)域。

3.3 多傳感器集成

主要解決不同采集頻率、不同安裝位置和不同類型的測量傳感器在時間和空間上的同步[9],以及多傳感器數(shù)據(jù)的時空對準(zhǔn),為水上、水下一體化監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.4 精密水下定位技術(shù)

精密水下定位是高精度三維掃描聲吶測量系統(tǒng)和水下機器人監(jiān)測的前提。首先針對海底控制點精密定位,需根據(jù)試驗區(qū)情況確定船的航跡,確保基于最優(yōu)的幾何結(jié)構(gòu)進行定位;同時需要利用自適應(yīng)的方法采取合適的差分方法,最大限度地削弱觀測值中的周期項誤差,提高定位精度。另一方面,水聲定位中的主要誤差來源是海水中的聲速以及信號傳播時間觀測值,前者與海洋的實際環(huán)境相關(guān),需要結(jié)合聲信號在水中的傳播規(guī)律,研究聲速剖面自動分層跟蹤改正方法;后者與設(shè)備相關(guān),雖然設(shè)備的硬件延遲會在實驗室進行標(biāo)定,但它會隨環(huán)境發(fā)生不規(guī)則的變化,故需要研究觀測值分離硬件延遲的方法;純粹的水聲定位由于單側(cè)交會的模式,會出現(xiàn)垂直方向結(jié)果發(fā)散的情況,需要研究壓力傳感器進行高程約束的方法,提高垂直方向結(jié)果的精度。因此,高精度的海底定位技術(shù)需要精細化的誤差處理步驟作為支撐。海底控制點標(biāo)定好后,由于水聲是時空相關(guān)的函數(shù),它便成為限制海底精密定位應(yīng)用的主要因素。需要從海洋機理出發(fā),對海水中的聲速進行層析,自適應(yīng)地建立區(qū)域聲速場模型,為后續(xù)海底精密定位監(jiān)測應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖2 精密水下定位技術(shù)流程

3.5 水下攝像機標(biāo)校

攝像機成像時,圖像中的像素點是空間中物體的點在攝像機平面上的投影,圖像點與空間點之間具有映射關(guān)系,通過建立攝像機的成像幾何模型能夠?qū)崿F(xiàn)圖像坐標(biāo)系到空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[10-11],建立攝像機成像模型所需的參數(shù)稱為攝像機標(biāo)校,標(biāo)定的精度將會直接影響海底構(gòu)筑物發(fā)生縫隙位置估算過程的精度。

水下機器人(ROV)在進行攝像機標(biāo)校的基礎(chǔ)上,通過精密水下導(dǎo)航定位技術(shù),探測海底構(gòu)筑物全幅影像,對圖像進行去噪、增強、融合等處理后,通過影像拼接與裂縫識別技術(shù),提取可能存在風(fēng)電樁基縫隙信息。

3.6 水下三維激光點云快速建模

通過對原始點云進行粗差剔除、濾波、重采樣和高精度空間配準(zhǔn)等數(shù)據(jù)處理步驟,實現(xiàn)整個水下樁基的點云拼接,然后聯(lián)合解算生成DEM,從而得到點云產(chǎn)品。

3.7 水下樁基全景影像與點云數(shù)據(jù)匹配

對樁基點云數(shù)據(jù)進行融合解算獲取高精度絕對坐標(biāo)點云,選擇光束法平差或直接線性變化等最適合的方法對點云和全景影像進行配準(zhǔn)。經(jīng)過配準(zhǔn)后的全景影像,影像上像素可以對應(yīng)匹配到背后空間三維點云,基于影像可直接測圖,提取特征點和地理要素。

3.8 多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合

海底構(gòu)筑物周圍地形穩(wěn)定性監(jiān)測,通過多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合技術(shù),可獲取地形地貌信息,以及海床表面和淺地層的底質(zhì)屬性信息[12-13]。即利用多波束水深地形測量獲取海底地形圖,通過插值方法生成高精度海底DEM,利用兩次監(jiān)測得到的高精度DEM計算海底沖刷量;同時利用側(cè)掃聲吶掃測海底,獲取海底地貌圖,通過綜合判定劃分海底底質(zhì)類型及其分布,基于兩次實驗結(jié)果數(shù)據(jù),分析底質(zhì)類型分布范圍變化,最后基于沖刷量和底質(zhì)類型變化趨勢評估海底構(gòu)筑物周圍地形穩(wěn)定性。

圖3 海底構(gòu)筑物周圍地形穩(wěn)定性監(jiān)測流程

4 結(jié)語

海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一門綜合性技術(shù),涉及測繪學(xué)、海洋動力學(xué)、信息技術(shù)、多傳感器技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合等多個學(xué)科與技術(shù),長期以來都是學(xué)者研究的熱點和電力管理部門關(guān)心的焦點,也是實際運維過程中面臨的困境和亟須需解決的問題。我國安全監(jiān)測研究尚處于起步階段,離一些發(fā)達國家還有一定的差距。本研究應(yīng)監(jiān)測需求的現(xiàn)狀,初步構(gòu)建了海上風(fēng)電工程水上、水下一體化安全監(jiān)測體系框架,闡述了主要工作流程和關(guān)鍵技術(shù),以期為海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)設(shè)施管控、變化監(jiān)控和防災(zāi)減災(zāi)提供新的應(yīng)急方案和技術(shù)指導(dǎo)。

我國海洋事業(yè)正在蓬勃發(fā)展,在國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和海上絲綢之路重大戰(zhàn)略倡議的指導(dǎo)下,應(yīng)不斷提升海洋工程安全監(jiān)測能力,集成先進的傳感器,借助穩(wěn)定的通信技術(shù)實時監(jiān)測其運維期間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)響應(yīng),獲得能夠反映海洋環(huán)境以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種監(jiān)測數(shù)據(jù),對風(fēng)機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與健康狀態(tài)進行評估,為海上風(fēng)電工程的維護和管理提供科學(xué)依據(jù)。